[實用新型]一種污水處理復合裝置

有效

• 申請號: 201720646013.5
• 申請日: 2017-06-06
• 公開（公告）號: CN206985794U
• 公開（公告）日: 2018-02-09
• 發明（設計）人: 任桂平;丁竑瑞;魯安懷;孫元;孫曼儀;李艷
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: C02F1/467
• 分類號: C02F1/467;C02F1/72;C02F1/70;C02F1/30;C02F101/30
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理事務所(普通合伙)11360
• 代理人: 李稚婷

技術領域

本實用新型涉及水質污染物光催化處理技術領域，具體涉及一種太陽能電池協同光電催化系統的低能耗廢水處理裝置。

背景技術

環境問題是21世紀人類面臨和亟待解決的重大問題之一，水質改善及其對安全保障的需求，始終都是水處理科學與技術的根本追求。伴隨現代工業化快速發展，有機廢水對環境的影響愈發嚴重。光催化以其室溫條件下可直接利用太陽能作為光源來驅動反應等獨特性能，成為一種理想的環境污染治理技術和潔凈能源生產技術。借助各種半導體材料的光催化方法能將多種有機污染物徹底礦化去除，提供了被認為是一種極具前途的環境污染深度凈化技術。

根據半導體理論，半導體包括一個充滿電子的低能價帶和一個空的高能導帶，價帶和導體之間由禁帶分開。當能量等于或大于禁帶寬度的光照射時，價帶上電子被激發躍遷到導帶，同時在價帶上產生光生空穴。光生空穴具有極強氧化能力，可奪取半導體顆粒表面有機物或溶液中的電子，使原本不吸收光的物質都被活化氧化，因此具有很強的氧化能力，通過直接或者間接方式將有機物氧化，最終降解為CO₂和H₂O等簡單的無機物。

在光催化的研究和應用中，存在著三個比較明顯的問題。第一，在以二氧化鈦粉末為光催化劑的懸浮體系中，粉末催化劑在使用后很難同溶液分離。第二，二氧化鈦等半導體禁帶寬度較大，對可見光部分利用率低，因此對太陽光利用有限。第三，光催化劑受光照射后產生的電子空穴對復合概率較大，因而光子利用效率較低，光催化活性不高，對于負載型光催化反應體系，由于光的利用效率大大降低，更是如此。

為了解決光催化研究中存在的問題，1982年Ward等首次將TiO₂膜作為電極并借助電化學工作站施加了陽極偏壓，所形成的Schottky勢壘使光生電子和空穴反向移動，從而實現分離，減少了光生電子與空穴復合，進而提高了光催化效率。而后，包括新型光電催化劑、新型反應器構型等基于光催化與電化學氧化協同作用的光電催化技術處理水溶液有機污染物成為主要研究熱點之一，然而該技術雖然有著提升效率的結果，但同時也伴隨著額外能量的輸入過程，如何進一步提升能量利用率是主要難題之一。

作為取之不盡的能源，太陽能是不容忽視的主要能源形式之一。其中太陽能電池是人們利用太陽能的一種重要方式。其基本工作原理：在被太陽電池吸收的光子中，能量大于半導體禁帶寬度的光子使半導體中原子價電子受到激發，在p區、空間電荷區及n區都會產生光生電子空穴對，也稱光生載流子。光生載流子由于熱運動向各方向遷移。光生載流子在空間電荷區中產生后，立即被內建電場分離，光生電子被推進n區，光生空穴被推進p區。因此，在p-n結兩側正、負電荷積累，與內建電場相反的光生電場形成。此電場一部分要抵消內建電場以外，一部分使p型層帶正電，n型層帶負電，產生光生電動勢，即為光生伏特效應。隨我國光伏產業的發展，市場上也已經穩定供應優質硅光電池，并且價格都很低，其已經成為穩定、廉價、商品化、廣泛使用材料之一。

實用新型內容

本實用新型的目的在于提供一種成本低廉、結構簡單、可重復利用且能夠高效轉化太陽能的污水處理復合裝置，對現有光電催化裝置的光源系統、外電路系統、電極材料等方面進行改進，實現高效廉價的污水處理裝置。

本實用新型提供的污水處理復合裝置，包括反應器，所述反應器包含至少一個光電催化反應池，光電催化反應池中設有至少一對光電催化電極對，在光電催化反應池上設有污水進口和污水出口，其特征在于，所述污水處理復合裝置還包括可見光光源和太陽能電池，所述光電催化電極對的陽極為負載可見光響應半導體材料的電極；所述可見光光源照射所述陽極；所述光電催化電極對由所述太陽能電池供電。

本實用新型的污水處理復合裝置利用廉價高效的太陽能電池轉化太陽能為電能，可采用市場上常見的太陽能電池板。

本實用新型的污水處理復合裝置中，光電催化電極對中的陽極優選采用對可見光吸收良好的水鈉錳礦半導體電極，可以是負載水鈉錳礦半導體材料的FTO(Fluorine-doped Tin Oxide)電極。但所述陽極的電極材料不限于FTO，可以為泡沫鎳、多孔碳布、不銹鋼網、多孔石墨板等多種材料；負載的半導體材料也不限于水鈉錳礦，可以是過渡金屬(如Ti、V、Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Cd、Sn、W等)、稀土金屬(如La、Eu、Ce、Er等)、貴金屬(如Pt、Au、Pd、Ag等)的氧化物或硫化物、多種金屬鹽配合物等。采用電泳、電化學沉積、電化學氧化等方法可實現所需數量半導體材料在電極上的負載與固定。